·1236· 北京科技大学学报 第34卷 一个高压喷水口，这些喷水口利用水封胶囊进行连 在前一个点压开煤层，后一个点的水压不会发生 接，每次注水将压力集中在一点上进行压裂，使煤体 变化. 力的作用范围由体变成点，达到高压、小流量压裂的 目的.在施工压裂孔的同时布置平行的控制孔，在 2分段点式水力压裂技术数值分析 压裂过程中建立人为设定松动圈，使作用范围内的 多点压裂具有同步性，即只有所有胶囊达到了 煤体发生一定量的位移，煤层裂隙得到扩张，从而增 封孔的压力，才能够将水压作用于煤体，因此数值分 加煤层的透气性，提高预抽率.由于作用点比较集 析单点的破裂情况具有代表性，暂不考虑多点的相 中，不仅压裂效果得到很好地改善，而且较小的流量 互作用情况.水力压裂是液体和固体相互作用的结 即可获得较好的压裂效果，从而降低对压裂水力系 果，将固、液两相介质耦合起来，分析水力压裂过程 统的要求，设备的体积大大减小，压裂施工成本大幅 中裂纹扩展更符合实际情况.本文采用边界耦合方 降低：同时分段水力压裂具有多个封孔胶囊、多个注 式计算固液耦合的相互作用，根据迭代方法求解数 水器和多个钻孔同时工作的特点，既方便快捷又能 值解.为了更好地求出数值解，提出以下假设条 达到大幅增加煤层透气性的要求.井下分段水力压 件00=0： 裂系统及封孔器结构如图1和图2.分段水力压裂 (1)煤岩体是均质、各向同性的弹性介质，煤岩 设备主要有高压注水泵、封孔器、注水器和高压注水 体的渗透性能低，在建立模型中可忽略： 管等组成.高压水通过高压密封胶囊后，通过减压 (2)裂纹的断裂扩展是一个准静态的过程，裂 阀将压力降低1MPa,再通过注水器注入钻孔，所以 纹张开和流体动量方程中都忽略惯性项： 高压密封胶囊的压力始终比注水压力大1MPa,起 (3)分段水力压裂不考虑各段之间的相互影 到了密封的作用，如果注水泵的压力始终保持不变， 响，对单段进行数值计算 钻孔出口减压阀 建立的裂隙扩展的水力学耦合数学模型 如下凶： 胶粪 胶囊 [(入+u)4+u:+F:=0, 图1井下分段点式水力压裂工艺系统 ag_aue=0, ax at Fig.I Underground segmentation point hydraulic fracturing system (1) g-品黑 lK≥Ke 巷道 式中，入和μ为拉梅弹性常数，F为外载荷，u为岩 高爪注水泵 封孔器 体节点的水平位移，q为沿裂纹长度的水通量，)为 猫 水的动力黏度，P为裂纹中的水压，心为裂纹的张开 度，，为裂纹的渗透系数，1为时间，K为材料的断 图2分段水力压裂封孔器结构 裂韧性，K为张开型裂纹应力强度因子.表1为城 Fig.2 Sealing device for the segmentation point hydraulic fracturing structure 山煤矿西二采区4"煤层力学特性和压裂参数 表1城山煤矿西二采区4*煤层力学特性和压裂参数 Table 1 Mechanical characteristics and fracture parameters of 4*seam in the west second mining area of Chengshan Coal Mine 孔间距/m 压裂孔长度/m 泊松比，y 垂直应力/MPa 单轴抗压强度/MPa自然饱水弹性模量/MPa 孔隙率/% 5 18 0.38 890 19.21 3829 7.35 根据所建数学模型进行数值计算，在压裂半径 增加.这在后面的实践中得到验证 为5m,注水压力分别为10MPa和12.8MPa时，裂 3分段点式水力压裂井下工业试验 隙半径随时间变化，如图3和图4.水力压裂初期裂 纹扩展迅速，5min内预裂孔就接近控制孔，之后扩 3.1试验钻孔的布置 展缓慢，说明在压裂初期，水头压力很重要，与注水 试验地点是鸡西城山煤矿西二采区4"右三下 时间不呈线性关系，随着注水压力的增加破裂半径 巷，煤层倾角14°，煤厚2.8m,此地段处于回风位北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 一个高压喷水口，这些喷水口利用水封胶囊进行连 接，每次注水将压力集中在一点上进行压裂，使煤体 力的作用范围由体变成点，达到高压、小流量压裂的 目的． 在施工压裂孔的同时布置平行的控制孔，在 压裂过程中建立人为设定松动圈，使作用范围内的 煤体发生一定量的位移，煤层裂隙得到扩张，从而增 加煤层的透气性，提高预抽率． 由于作用点比较集 中，不仅压裂效果得到很好地改善，而且较小的流量 即可获得较好的压裂效果，从而降低对压裂水力系 统的要求，设备的体积大大减小，压裂施工成本大幅 降低; 同时分段水力压裂具有多个封孔胶囊、多个注 水器和多个钻孔同时工作的特点，既方便快捷又能 达到大幅增加煤层透气性的要求． 井下分段水力压 裂系统及封孔器结构如图 1 和图 2． 分段水力压裂 设备主要有高压注水泵、封孔器、注水器和高压注水 管等组成． 高压水通过高压密封胶囊后，通过减压 阀将压力降低 1 MPa，再通过注水器注入钻孔，所以 高压密封胶囊的压力始终比注水压力大 1 MPa，起 到了密封的作用，如果注水泵的压力始终保持不变， 图 1 井下分段点式水力压裂工艺系统 Fig． 1 Underground segmentation point hydraulic fracturing system 图 2 分段水力压裂封孔器结构 Fig． 2 Sealing device for the segmentation point hydraulic fracturing structure 在前一个点压开煤层，后一个点的水压不会发生 变化． 2 分段点式水力压裂技术数值分析 多点压裂具有同步性，即只有所有胶囊达到了 封孔的压力，才能够将水压作用于煤体，因此数值分 析单点的破裂情况具有代表性，暂不考虑多点的相 互作用情况． 水力压裂是液体和固体相互作用的结 果，将固、液两相介质耦合起来，分析水力压裂过程 中裂纹扩展更符合实际情况． 本文采用边界耦合方 式计算固液耦合的相互作用，根据迭代方法求解数 值解． 为了更好地求出数值解，提出以下假设条 件［10--11］: ( 1) 煤岩体是均质、各向同性的弹性介质，煤岩 体的渗透性能低，在建立模型中可忽略; ( 2) 裂纹的断裂扩展是一个准静态的过程，裂 纹张开和流体动量方程中都忽略惯性项; ( 3) 分段水力压裂不考虑各段之间的相互影 响，对单段进行数值计算． 建立 的 裂 隙 扩 展 的 水 力 学 耦 合 数 学 模 型 如下［12］: ( λ + μ) uj + μui + Fi = 0， q x － w t = 0， q = － ω3 12η ·p x ， KI≥KIc          ． ( 1) 式中，λ 和 μ 为拉梅弹性常数，F 为外载荷，u 为岩 体节点的水平位移，q 为沿裂纹长度的水通量，η 为 水的动力黏度，p 为裂纹中的水压，w 为裂纹的张开 度，ω3 12η 为裂纹的渗透系数，t 为时间，KI为材料的断 裂韧性，KIc为张开型裂纹应力强度因子． 表 1 为城 山煤矿西二采区 4# 煤层力学特性和压裂参数． 表 1 城山煤矿西二采区 4# 煤层力学特性和压裂参数 Table 1 Mechanical characteristics and fracture parameters of 4# seam in the west second mining area of Chengshan Coal Mine 孔间距/m 压裂孔长度/m 泊松比，γ 垂直应力/MPa 单轴抗压强度/MPa 自然饱水弹性模量/MPa 孔隙率/% 5 18 0. 38 890 19. 21 3 829 7. 35 根据所建数学模型进行数值计算，在压裂半径 为 5 m，注水压力分别为 10 MPa 和 12. 8 MPa 时，裂 隙半径随时间变化，如图 3 和图 4． 水力压裂初期裂 纹扩展迅速，5 min 内预裂孔就接近控制孔，之后扩 展缓慢，说明在压裂初期，水头压力很重要，与注水 时间不呈线性关系，随着注水压力的增加破裂半径 增加． 这在后面的实践中得到验证． 3 分段点式水力压裂井下工业试验 3. 1 试验钻孔的布置 试验地点是鸡西城山煤矿西二采区 4# 右三下 巷，煤层倾角 14°，煤厚 2. 8 m，此地段处于回风位 ·1236·